冰複合體的製作方法
2023-05-29 14:01:36
專利名稱：冰複合體的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於建造位於水中或水面的固定或漂浮的建築物的冰複合體。
背景技術：
NO.4456072美國專利說明書公開了一種用於安裝在位於水中的水下鑽井場上的固定建築物，這裡的水在冬季正常情況下是結冰的。這個建築物大體包括同心垂直定向的圓柱形內外壁，在內外壁之間形成了一個圓形空間。用冰填充該空間，填充冰後，壁向下延伸到海底，插入的空間也填充著冰。這樣內壁區域就圍住了大量封閉的水，通過在水面和內壁區域散布一層絕熱材料，這些水相對不易結冰，諸如海底石油鑽井能在整個冬季進行。
儘管該建築物提供了一個人工島，它的缺點是它的使用被限制到在冬季正常情況下結冰的水域。因此它的使用被限定到僅僅有限的地理區域和季節。儘管這足夠達到它的目的(保持鑽井場在冬季工作)，以及這項技術的地理和季節限制不是上述應用的缺點(因為該建築物僅在那個季節和那個區域才需要)，NO.4456072美國專利說明書中公開的建築物只能是有限的應用。
NO.4456072美國專利說明書中的建築物的另一個局限是它們要求固定到海底並且不能在一個水位相對深的地方使用。
有人建議將冰運到更多的溫度地帶，例如假設冰在運輸過程中的溶化損失不是太大將大冰塊運到乾旱地區。這類建議沒有付出實施，因為它們強調已發覺的原因是限於使用在北極或南極地區以外的冰，即在任何大規模或任何長時期使用冰時，冰的致冷費用被認為太高。
儘管毫無疑問還有在建築場合中使用冰的其它建議，但這些建築物的一般問題是它們的使用受到地理和/或季節的限制。
本發明的目的是提供一種使上述缺點減少或消除的冰複合體，以及實現冰複合體的潛在建築應用，特別是實現製造任何所需形狀設計和結構尺寸穩定的冰複合建築物的能力。
發明概述根據本發明提供一種用於建造位於水中或水面的固定或漂浮建築物的冰複合體，所述的複合體包括一個內部冰核；一個起保護作用的外部護面層；用於使冰核熱絕緣的裝置以及包括一個供體內致冷劑使用的導管系統的致冷裝置，所述的絕熱裝置和致冷裝置相對於周圍水的環境溫度相適應以保持冰核處於冷凍狀態。
已經發現這種結構可以在溫度遠高於冰點以上的水中使用冰複合體。以這種結構為基礎，根據本發明的冰複合體可以用於建造大規模的建築工程，而只用使用現有材料建造相同的建築物的費用的一部分。
上述建築物的典型例子是橋梁、長堤、防波堤、浮橋、人工島、水壩、擋潮壩、波浪動力壩、港灣壁、風動農場或人工跑道。這些應用僅通過實例給出。
當根據本發明的冰複合體用於建造位於水中或水面的固定或漂浮的建築物時，冰核最好保持低於0℃，並在它的最大受壓點，冰每受到50個大氣壓再進一步降低0.5℃，所述壓力包括在正常使用中受到的壓力衝擊波。
溫度限制可以防止由於穿過複合體的衝擊波產生的內部壓力和/或衝擊波陣面通過部分溶化或局部溶化使複合體受到削弱。儘管通過使冰核的溫度儘可能的最低可能較好地增加複合體的強度，由於致冷費用隨溫度降低而增加，這將是不經濟的。通過使冰核保持在或略低於設定的溫度，花最少的致冷費用可取得最佳的強度。
例如，如果複合體被用作一個漂浮跑道的基礎，在用上述公式計算冰核的溫度時，冰本身重量產生的內部或靜壓力(lithostatic pressure)、周圍水產生的液壓，以及飛機迫降的衝擊波產生的最大壓力都必須加以考慮。
類似地，當根據本發明的冰複合體用於建造位於鹹水中或鹹水面的固定或漂浮的建築物時，冰核最好保持低於-2.2℃，並在它的最大受壓點，冰每受到50個大氣壓再進一步降低0.5℃，所述壓力包括在正常使用中受到的壓力衝擊波。
這個溫度限制考慮了鹹水更低的冰點。如果冰中含有其它改變溶點的添加劑，上述公式中的數字0℃或-2.2℃將被含有這種添加劑的冰的相應冰點所代替。
在有些實施例中，絕熱裝置是護面層的一部分，絕熱程度由所述護面層的厚度和所述護面層使用的材料的性質來確定。
在其它實施例中，絕熱裝置包括一個位於冰核和護面層中間的絕熱材料層。
絕熱裝置是護面層的一部分或者是一個單獨的層是根據需要，例如安全、強度、當地平均溫度和使用期費用來決定，選擇是由建築物的設計者在使用期費用最低的情況下使用滿足全部安全和規則要求的正常的設計標準來作出。
最好，絕熱裝置和致冷裝置相適應以在環境水溫大於5℃，最好大於10℃或15℃時保持冰核處於冷凍狀態。
根據本發明，冰核可以保持在任何大於0℃的水中，並且沒有使用本發明的水溫技術上限。
由於護面層、絕熱層和致冷裝置使得冰核在升高的環境水溫中保持結冰，本發明可以在5℃、10℃、15℃或更高的溫度中使用，而現有的冰複合體僅適合於在冷的環境中使用。
如果有導管，導管相適應地限定在護面層和絕緣層中。
另一種方法，導管延伸到冰核中。
當導管延伸到冰核中時，它們可對建築物起加固作用，而且它們使整個冰核更容易保持所需的溫度。
對於根據本發明的一種用於建造位於水中或水面的固定或漂浮的建築物的複合體，最好護面層裝在冰核的頂部和側面，而冰核被冰凍在水底。
這樣的優點是通過冰核和水底的凝固結合，建築物在構造上牢固地固定到水底。一個不漏水的密封就形成了，在萬一任何方向的水通過都受到建築物的限制的情況下，這種不漏水的密封是特別的重要。例如，如果建築物包含一個用於接近核的內部的水底的中空豎井，不漏水的密封提供了一種獲得一個幹的內部豎井的簡易方法，人們可以在豎井中工作，設備也可以在豎井中使用。另外一個例子是，如果建築物是大壩或潮水力發電站的一部分，在這種情況下可防止水穿過建築物。
在用現有材料建造的現有技術的大壩或潮水力發電站中，由於必須打地基，底部的不漏水的密封在技術上是很難實現的。即使不需要不漏水的密封，由於必須在水底打樁以固定建築物，現有建築物的固定安裝是較困難並且費用高。
對於根據本發明的用於建造位於水中固定建築物的複合體，側面相應地傾斜成一角度以形成一錐形的建築物，該建築物底部比頂部寬，所述傾斜的側面用來減小隨深度增加而增加的液壓和靜壓產生的應力。
這裡的「靜壓」表示在固體上的單位平面面積的壓力，該壓力是由於作用在這個面積上的固體或液體材料重量產生的，類似於流體中的單位面積上的液壓。
如果通過側面傾斜成一角度減小了應力，用最少量的材料可以獲得一個穩定堅固的建築物。
此外，側面最好從垂直線以θ角傾斜，θ角根據下列公式確定Hc tcDc tanθ＝Fi-Fw，其中Hc是水底上的護面層的最高點的高度；tc是護面層和絕熱層的厚度，如果存在的話；Dc是護面層和絕熱層的平均密度，如果存在的話；
Fi是冰的靜壓施加在護面層和絕熱層單位長度上的平均力，如果存在的話；Fw是周圍水的液壓施加在護而層和絕熱層單位長度上的平均力，如果存在的話；另一方面，如果側面從垂直線傾斜θ角，表達式Fi-Fw-(Hc tcDc tanθ)是正值，術語Fi，Fw，Hc，tc，Dc如上所定義，複合體最好還包括一個與位於複合體相對側的護面層相連的拉伸部件以抵消任何淨壓縮力。
還有另一種情況，如果側面從垂直線傾斜θ角，表達式Fi-Fw-(Hc tcDc tanθ)是負值，術語Fi，Fw，Hc，tc，Dc如上所定義，複合體最好還包括一個與位於複合體相對側的護面層相連的壓縮部件以抵消任何淨拉伸力。
在優選實施例中，護面層包括許多相鄰的護板側面部件，所述部件根據水底的地形具有不同的長度，這樣，複合體相對於水位就有恆定的高度。
尤其是對位於不規則的海底的細長建築物，這種結構大大有助於該建築物的固定。在建造一個大規模的建築物之前，無論如何需要首先繪製海底的地形圖，地形圖中的任何水深變化都可以通過製造護板側面部件加以校正以提供一個在水面上有恆定高度的最終建築物。
當冰核與水底形成不漏水的密封時，與水底緊相鄰的那部分冰核最好沒有護面保護層。
在優選實施例中，有一個穿過冰核到水底的豎井，以便在大氣壓和乾燥條件下在水底開展工作。
相應地，豎井有足夠大的直徑以容納人和任何在水底必須的裝備。
對於根據本發明的一種用於建造位於水中或水面的漂浮的建築物的複合體，冰核最好完全包圍在所述護面層中。
複合體最好還包括將複合體固定到海底的部件。
複合體最好有正的淨浮力。這可確保複合體漂浮，如果複合體需要移動，例如，它可由一個拖船拖動，複合體的漂浮是非常有幫助的。如果一個所需的複合體沒有正的淨浮力，那麼必須安裝漂浮輔助裝置。
護面層最好包括一個雙層殼。這是在出現緊急情況下有幫助作用的另一個安全特徵。例如，如果外部殼被刺穿後，複合體仍保持一個整體，冰核將不會因為冰核和周圍的水接觸而溶化。
護面層中使用的材料最好從金屬、石頭、混凝土、鋼筋混凝土、瀝青碎石、瓷磚和磚塊中選取。
絕熱材料最好從空氣、冰、密封水、石頭、泥土、混凝土、鋼筋混凝土、絕熱水泥、塑料泡沫、木材、木材屑、廢紙、沙子、處理過的城市廢棄物、紡織纖維和礦物纖維中選取。
相應地，致冷劑導管預先一體地安裝在護面層或絕熱層，如果存在的話。
另外一種方法，致冷劑導管與護面層或絕熱層分開地形成，如果存在的話。
在一個實施例中，致冷劑導管對於複合體起著內部加強部件的作用。
冰核最好是由冰凍前除去離子和/或脫氣的水形成。這將有助確保冰核有高純度以及冰核中不會形成雜質或缺陷，雜質或缺陷將削弱複合體的強度。
相應地，冰核最好是由冰凍前或冰凍過程中加入添加劑的水形成，所述添加劑在冰形成時對改變冰的密度有效果。
還有相應地，冰核最好是由冰凍前或冰凍過程中加入添加劑的水形成，所述添加劑在冰形成時對增加強冰的強度有效果。
添加劑最好從明膠、任何取代物主要是羥基的長鏈碳氫化合物以及有氫或氫氧結合基的長鏈聚合電解質中選取。
此外，添加劑也可從金屬纖維、陶瓷纖維、玻璃纖維、礦物纖維、塑料或聚合物纖維、碳纖維、泥煤纖維、木材纖維、混凝土、沙子、礫石、石頭、塑料泡沫顆粒、木屑和鋸末中選取。
添加劑最好在冰凍前或冰凍過程中加入水中。
當水複合體冰凍時，它一般要經過一個半融的階段，即在完全冰凍前，仍保持許多液體的特徵。添加劑在這個階段加入較有利，以確保在水固化時添加劑在水中較好地分布。如果添加劑是以正常情況下在水中下沉或漂浮的顆粒物質形式存在，這可能是很重要的。
在許多情況下，添加劑僅加到冰核的限定區域。例如，可加入木漿以增加拉伸部件或壓縮部件所在區域的冰的強度。添加劑也可用於影響在冰核限定區域的冰的熱傳導率。
如下所述，護面層可由按標準尺寸設計的部件形成，冰用作將所述部件連接在一起的結構材料。
本發明還包括一個用於建造根據本發明的冰複合體的護面層材料殼。
相應地，殼還包括一個位於護面層內部上的絕熱層。
殼最好還包括致冷劑導管。
根據本發明的殼可以在一個地方製造(可選擇帶有絕熱層和/或致冷劑導管)，並在冰凍前在另一個地方充滿水。這樣的優點是可降低運輸費用。
在另一方面，本發明包括建造根據本發明的冰複合體的方法，該方法包括用滑模或連續替換模板技術建造護面保護層的殼的步驟。
還有另一方面，本發明包括建造根據本發明的冰複合體的方法，該方法包括的步驟建造包括護面保護層、致冷劑導管和可選擇的絕熱層的殼；將處於倒置位置的所述殼充滿水；冷凍所述的水；以及將所形成的複合體在它將位於的地方倒置過來。
還有另一方面，本發明包括建造根據本發明的用於平均環境溫度高於水的冰點的環境中的冰複合體的方法，該方法包括的步驟在平均環境溫度低於水的冰點的地方冰凍所述冰核；以及隨後將冰複合體運到它將被使用的環境。
這樣，在充填或部分充填冰後，如果殼漂浮，它可被從一個冷的地方(冷凍費用較低)拖到一個較熱的地方使用。如果殼不漂浮，可以使用安裝在其上的漂浮輔助裝置拖動它。
另外，本發明包括將冰複合體固定到水底的方法，該方法包括的步驟使複合體降低與水底接觸，複合體有一個冰暴露出來的底部表面；以及充分冷凍冰導致底部表面與水底結合在一起。
在這個過程中，複合體最好下降到一個多孔的水底，致冷作用引起正位於複合體下面的水底包圍的水冷凍以便與底部表面結合在一起。
還有另一方面，本發明包括建造根據本發明的冰複合體的方法，該方法包括的步驟將水除去電解質和/或脫氣；冷卻所述水以便使它冷凍；以及在水冰凍前向水中加入如上所限定的添加劑。
本發明還包括一個位於水中或水面的固定或漂浮的建築物，該建築物包括一個根據本發明的冰複合體。這種建築物的典型例子包括但不局限於橋梁、防波堤、長堤、浮橋、人工島、水壩、擋潮壩、波浪動力壩、港灣壁、風動農場或人工跑道。
在合適的建築物中，護面保護層的頂部表面最好有道路表面或鐵軌。
通過參照附圖給出的實例，根據對其實施例的如下描述，進一步說明本發明。
附圖簡述
圖1是根據本發明的固定到水底的冰複合體第一實施例的局部剖視圖；圖2是根據本發明的漂浮在水中的冰複合體第二實施例的局部剖視圖；圖3是根據本發明的固定到水底的冰複合體第三實施例的局部剖視圖；圖4是根據本發明的漂浮在水中的冰複合體第四實施例的局部剖視圖；圖5是根據本發明的固定到水底的冰複合體第五實施例的切面剖視圖；圖6是用於建造根據本發明的固定到水底的冰複合體的護面部件的透視圖；圖7是根據本發明使用圖6的護面部件建造的冰複合體第六實施例的切面剖視圖；圖8-11顯示了建造根據本發明的冰複合體的依次的階段；圖12是根據本發明的以支撐道路的浮橋形式存在的冰複合體第七實施例的透視圖；圖13是圖12的實施例的切面剖視圖；實現本發明的方式圖1中標號為10的是根據本發明用於建造位於水中的固定建築物的冰複合體。複合體10以合乎透視方式顯示並帶有顯示其截面的剖面圖。可以看出複合體10具有類似於許多長堤或港口防波堤的形狀，複合體10作為這樣一個建築物是有用的。
複合體10包括一個冰核11；一個鋼筋混凝土護面層12；一個混凝土絕熱層13；以及一個致冷劑導管系統14，該系統使用時充滿著由致冷機(未顯示)供應的循環致冷劑。
在這個實施例中，在複合體10的底部15沒有使用絕熱體或護面板。水面16和水底17也顯示出來。在底部下面，冰核11引起水底17冷凍，以便形成一個冷凍的水底擴展區18(即一個擴展的冰面)。達到通過地熱負荷和由致冷作用移去的熱負荷相等決定的平衡點時，冰凍區18形成地表下冰層，地熱負荷是恆定的並且較小，致冷作用移去的熱負荷由於冰凍水底區18的冰的絕熱效果而減少，它減少一直到這兩種熱負荷相等。這個冰凍的冰面將複合體10和水底17結合起來並在底部形成了一個堅實的不漏水的密封。這個實施例特別適合於將諸如固定的長堤、水壩、擋潮壩、波浪動力壩、港灣壁、防波堤和類似建築物固定到水底。
圖2顯示了冰複合體的第二實施例，標號為20。複合體20適合於漂浮的應用場合併有一個類似於許多海上船隻、漂浮防波堤、浮橋和類似物的形狀。複合體20包括一個冰核21；護面層22；絕熱層23；以及致冷劑導管24。在該實施例中，護面層22和絕熱層23沿著複合體20的整個外部延伸。水面25顯示在複合體的兩側。該實施例特別適合於用作一個需要經常移動的漂浮建築物。
圖3顯示了一個平頭圓錐式的固定的冰複合體，標號為30，隨著水深增加，它的厚度增加。該實施例特別適合於固定到海底的人工島。
側面31與垂直線成θ角，θ根據公式Hc tcDc tan θ＝Fi-Fw來確定。上述已給出了術語的含義。這個角度使得複合體的強度最佳向著底部複合體的厚度增加，複合體越牢固。強度的增加適應了增加的力產生的額外張力，隨著深度增加，風浪衝擊的增大傾覆動量產生了增加的力。
圖4顯示了類似於圖2的圓形平面漂浮複合體40。圖中標明的是冰核41、護面層42、絕熱層43和致冷劑導管44。該實施例特別適合用作一個不必頻繁移動的漂浮建築物。
圖5顯示了一個有特別優點的冰複合體實施例，標號為50，它以通過冷凍結合固定到海底51並有圓形平面的人工島的形式存在。複合體50在50米深的水中提供了一個島，該島有大約4公頃的面積。典型的尺寸是直徑(d)是225米，水深(x)是50米，以及水面高度(y)是30米。
複合體50包括冰核51、護面層52、絕熱層53以及致冷劑導管54。複合體50特別適合於通過幹的豎井50在幹的情況下完成海底建築物55。這就使得可以建造提升石油產品的管道或礦物升降機57，並能在不使用潛水員或水下運輸工具的情況下直接在海底對其進行檢修和保養。58表示的是一個廢棄的水下裝置。很顯然，在被開採的礦物儲存枯竭時，該實施例的複合體可以移動並在其它地方重新利用。
圖6和7圖示了在建築物中使用按標準尺寸設計的部件的實施例。一組按標準尺寸設計的建築部件60彼此相鄰，每個部件的高度是根據部件所在位置的水深確定的。每個部件包括覆蓋在絕熱層上的護面層，致冷劑導管安裝在絕熱層的內部(在圖6和7中這些組件沒有單獨顯示出來)。在圖7中，顯示了冰核61和水底的平衡冰面62。由於單個的建築部件的長度相對於水深(由最初的勘查決定)來選擇，所形成的複合體的頂部表面63在水位64上具有恆定的高度。
在建造和固定根據本發明的冰複合體時可採用不同的方法。在一個方法中，護面板和絕熱體的表面建成一個大的殼或者是使用特別生產的模板分部建造，這些部分可以是單獨的模件或者是單個大的建築物。在製造它們的最合適位置製造好護面板、絕熱體和致冷系統以後，通過拖船或其它合適的方法將它們拖到製造冰的地方，在這個地方致冷和製造冰核是特別的經濟。在這個地方的冷空氣可用於致冷。
通過水箱或使用複合體殼的內部作為船體將脫氣、除去電解質和處理過的淡水運到製造冰的地方。在後一種情況中，殼中的部分冰可用作低成本的建築材料，該材料可將殼部件各部分相互粘在一起並形成使水的運輸不費力的不漏水的密封。在製造冰的地方，脫氣、除去電解質和處理過的淡水被冷凍，形成使複合體的核具有最佳強度性質的硬淡水冰。然後將複合體移動到它的使用地以便定位或固定和使用。
在一個類似的尤其適合在寒冷氣候的水中的建造的方法中，複合體按照圖8-11所示的一系列階段製造(也可處於倒置位置)。
建造冰複合體70的第一步如圖8所示。第一階段包括按照它的確定形狀建造護面層71形成一個類似複合體的容器，它漂浮在使用它的水中，如果必要，可在它的外部裝上浮力輔助裝置。然後在它裡面襯上絕熱材料72。隨後，將致冷劑導管73沿著複合體的內側按照它的確定位置固定在容器中，這時複合體處於它的確定位置。接著，容器中第一次注入脫氣、除去電解質的淡水74，根據需要用選擇的添加劑來處理。因為在形成冰的過程中水的體積膨脹，選擇的水量結果形成第一階段冰填充量。
通過致冷劑導管73泵入致冷劑以冷卻水從而形成如圖9所示的第一階段冰核75。在冰的形成過程中，通過控制致冷速率和溫度降低率，以防止形成張力過度集中，尤其是在複合體70的外部和內部之間。也可通過仔細選擇護面板的側面部件的最初傾斜角θ來控制應力集中。如果需要一個特別堅固的結構或密度有所變化，在冰凍的半融階段可向水中加入增強化學物質、纖維、石頭或金屬加強物。
隨後的如圖10和11的階段包括建造護面層71、絕熱層72和導管73；加入另外的水74；將第二階段的水冷凍成第二階段的冰75；以及重複這個方法直到達到需要的總設計尺寸。
對於圖8-11所示的實施例，複合體70相對最終的使用定向而倒置。最後的階段包括或者封閉帶有在冰核外部的致冷劑導管系統、絕熱層和護面層的複合體，隨後將該複合體固定或動態地定位在一個位置；或者不封閉沒有絕熱和護面板的底面，如果該底面將在現場冷凍以便固定到水底。該方法尤其適合在陸地建築空間有限的地方用按照標準尺寸設計的部件建造一個大的複合體。
顯然，根據本發明的複合體一般可設計成與任何底部區域相適應並且在壓載箱的固定和穩定或去掉在製造過程中任何維持漂浮所需的輔助裝置後，複合體可安放到任何形狀和結構的底部區域，隨後致冷系統逐漸冷凍以便如圖1和3所示將複合體的底部和水底結合起來直到達到擴展冰而的平衡點。即使對於不規則形狀的水浸泡的底部區域，該方法將產生複合體的不漏水的結合。
將要描述的第二種方法包括運用現有的如模板和類似方法的技術在複合體的最終使用地點現場建造複合體。這種方法尤其適合於在陸地上建造但也可以在水底完成。這種方法也可分以下階段實現將致冷劑導管安裝在確定的位置；用所選擇的材料使它們形成絕熱層和護面層；為了冷凍將工作區隔離(例如通過合適的可移動的容器、模板或罩)以便圍住工作地和控制將冷凍的水的組成；將淡水注入原工作區的水中；根據需要處理水；和通過盤管注入致冷劑以冷凍水。隨後的階段按照類似的方式建造，直到達到所需尺寸，形成一個帶有致冷劑導管、絕熱層和護面層的複合體，並將容器、模板和罩移去以便用於別處。這種在現場建造的方法在水底地形不平坦的地方尤其有用。
第三種方法包括通過使一個自然產生的冰塊變成所需的形狀從而由合適的自然產生的冰製造複合體；將按照標準尺寸設計的致冷、絕熱和護面板部件安裝到複合體的外表面；以及將複合體移到需要固定的位置。使用第三種方法是因為複合體不會受到巨大應力、複合體的失敗不會有災難性的後果以及只需花必要的費用。
圖12和13中標號為80的是另一種冰複合體，該複合體以承載著路面81的浮橋形式存在，該路面供車輛82通行。複合體80有一個內部冰核83(圖13)；第一護面層84；空氣絕熱層85；以及通過隔離物87與第一護面層84分開的第二護面層86。一對擋板88使路面81免受風浪。
複合體80通過一組系留纜89(參看圖12)系住並安放在延伸到海底的支架90(圖13)上。支架90可以是剛性的或柔性的，在它上面還可安裝用於調節柔韌度的傳感器或部件(類似於汽車中的靈活的支撐系統和高層建築中的防震機構)。
令人吃驚的發現是，根據本發明的冰複合體具有很大的強度，它比本發明也適合的特定製造目的任何已用過的其它形態的人造材料都要堅固。由於護面板將施加的負荷分布在寬闊的冰面上並且可通過控制冰的溫度來控制它的強度，因此，這種複合體可設計成任何所需的強度直到護面板表面本身的強度。在水深100米處，冰的一般強度為0.5-2.5N/mm2。
還有令人吃驚的發現，這類冰複合體並不以冰川或軟冰隨時間變形的方式改變形狀，相反是尺寸穩定，或多或少的長期保持它的形式和形狀，所以能用於有效地建造大的永久性建築物。
如上所討論的還發現，去掉複合體底部的護面板和絕熱層可以使致冷劑導管冷凍水底的任何自然或加入的水，該水底的基質緊挨著複合體的冰體。這可在不需打樁或灌薄膠泥的情況下使得在指定的放置複合體的任何區域的外形和輪廓上形成堅固的冰凍結合和不漏水的密封，即使對於浸泡的、泥土的、砂質的、泥煤的、泥濘的、或覆蓋著松石或類似物的底部區域。
對於漂浮的建築物，相對於水而言，密度越低的冰將產生令人吃驚的大的浮力和以相對低的費用承載壓力的表面，並通過合適的添加材料在冰中形成空缺來增大浮力。通過增加正浮力，複合體可以在水面或海面漂浮得更高並可承載為了許多用途的機械、設備、儲藏裝置、機構、建築物或交通工具的更大有用負荷。
通過在冰核的形成過程中加入比水重的物質顆粒，複合體獲得一個比水高的比重，結果它形成了與水底或海底的底部的重力結合併加強了與冰所處的區域的構造上的連接。一個具有與水相等的密度的複合體通過確保至少建築物的11％露出水面來與水底形成重力結合。
對於固定建築物，與不規則的地形適應、在這種地形上獲得一個堅固的不漏水的密封以及經受住地動的容易性，強度隨時間的增加，修復任何損壞的容易性，沒有任何危害環境的放射物，移動的容易性以及沒有與移動相關的任何危害環境的影響產生了一種對於在水環境中的某些大的固定建築物特別適合的材料，尤其足在合適深度的溫暖的鹹海水中。
本發明給建築物提供了這樣一種設計對於建築物的特定地點和/或特定形狀可提前推測出它承受的應力或壓力性質，以便建築物以可預測、可控制的方式承載施加的負荷。這樣，儘管設計工程師使用傳統的建築材料和方法，他們卻可發現用來建造一個永久的冰建築物的最佳方法，該建築物能在世界任何地方使用。
通過本發明的有用性的說明，圖12和13的實施例能夠與一個現有的道路橋梁相比，尤其是一個長的橋梁。本發明的實施例是更安全和成本更低。由於它不是剛性地固定到地面上，它能更好地防止地震震動。通過冰的能量吸收性質安全特性得以提高。大的慣性和強度使得複合體能更好地經受風浪的衝擊。
一個修建用於承載汽車道的從西西里到義大利大陸的現有橋梁按照歐盟的計劃已花費了超過20億的歐洲貨幣單位(近似25億美元)。一個根據圖12和13的建築物設計的橋梁，它寬38米，可承載六個汽車道，橫跨從西西里到義大利的同樣的海面距離，花費3億歐洲貨幣單位(近似3.75億美元)。這個費用中包括獨立的發電站、致冷設備和管道的費用，以及包括發電站15年的運行費用。儘管在地中海有相對熱的海水溫度(測算的海水溫度高達30℃)，使用本發明的冰複合體能節省近85％的費用。在較冷的氣候比在地中海的氣候中運行費用更低。
權利要求
1.一種用於建造位於水中或水面的固定或漂浮建築物的冰複合體，所述複合體包括一個內部冰核；一個起保護作用的外部護面層；使冰核熱絕緣的裝置以及包括供體內致冷劑使用的導管系統的致冷裝置，所述絕熱裝置和致冷裝置相對於周圍水的環境溫度相互適應以保持冰核處於冷凍狀態。
2.如權利要求1所述的冰複合體，用於建造位於淡水中或淡水面的固定或漂浮建築物，其特徵在於冰核保持在0℃以下，並在它的最大受壓點，冰每受到50個大氣壓再進一步降低0.5℃，所述壓力包括在正常使用中受到的壓力衝擊波。
3.如權利要求1所述的冰複合體，用於建造位於鹹水中或鹹水面的固定或漂浮建築物，其特徵在於冰核保持在-2.2℃以下，並在它的最大受壓點，冰每受到50個大氣壓再進一步降低0.5℃，所述壓力包括在正常使用中受到的壓力衝擊波。
4.如前面的任何一項權利要求所述的冰複合體，其特徵在於絕熱裝置是護面層的一部分，絕熱程度是由所述護面層的厚度和所述護面層使用的材料性質決定的。
5.如權利要求1到3的任何一項所述的冰複合體，其特徵在於絕熱裝置包括一個位於冰核和護面層之間的絕熱材料層。
6.如前面的任何一項權利要求所述的冰複合體，其特徵在於所述絕熱裝置和致冷裝置相互適應以在環境水溫大於5℃的情況下保持冰核處於冰凍狀態。
7.如權利要求6所述的冰複合體，其特徵在於所述絕熱裝置和致冷裝置相互適應以在環境水溫大於10℃的情況下保持冰核處於冰凍狀態。
8.如權利要求7所述的冰複合體，其特徵在於所述絕熱裝置和致冷裝置相互適應以在環境水溫大於15℃的情況下保持冰核處於冰凍狀態。
9.如前面的任何一項權利要求所述的冰複合體，其特徵在於如果導管存在的話，導管被限定在護面層和絕熱層中。
10.如前面的任何一項權利要求所述的冰複合體，其特徵在於導管延伸到冰核中。
11.如前面的任何一項權利要求所述的冰複合體，用於建造位於水中的固定建築物，其特徵在於護面層安裝在冰核的頂部和側面，並且冰核在水底上被冷凍。
12.如權利要求11所述的冰複合體，其特徵在於側面成一定的角度以便提供一個底部比頂部寬的錐形建築物，所述成角度的側面用來抵消風浪衝擊的傾覆動量所產生的力。
13.如權利要求12所述的冰複合體，其特徵在於側面與豎直線成θ角，θ角通過下列公式來確定Hc tcDc tanθ＝Fi-Fw，其中Hc是水底上的護面層的最高點的高度；tc是護面層和絕緣層的厚度，如果存在的話；Dc是護面層和絕緣層的平均密度，如果存在的話；Fi是冰的靜壓作用在護面層和絕緣層單位長度上的平均力，如果存在的話；Fw是周圍水的液壓作用在護面層和絕緣層單位長度上的平均力，如果存在的話；
14.如權利要求12所述的冰複合體，其特徵在於側面與豎直線成θ角，表達式Fi-Fw-(Hc tcDc tanθ)是正值，術語Fi，Fw，Hc，tc，Dc如權利要求13所定義，複合體還包括一個與位於複合體相對側的護面層相連的拉伸部件以抵消任何淨拉伸力。
15.如權利要求12所述的冰複合體，其特徵在於側面與豎直線成θ角，表達式Fi-Fw-(Hc tcDc tanθ)是負值，術語Fi，Fw，Hc，tc，Dc如權利要求13所定義，複合體還包括一個與位於複合體相對側的護面層相連的壓縮部件以抵消任何淨壓縮力。
16.如權利要求11到15中的任何一項所述的冰複合體，其特徵在於護面層包括一組相鄰的護面側面部件，所述部件根據水底的地形而具有不同的長度，以便複合體相對水面有一個恆定的高度。
17.如權利要求11到16的任何一項所述的冰複合體，其特徵在於冰核與水底形成了一個不漏水的密封，冰核與水底直接相鄰的部分沒有護面保護層。
18.如權利要求11到17的任何一項所述的冰複合體，其特徵在於穿過冰核到水底有一個豎井，以便在大氣壓下、在乾燥的條件下完成水底工作。
19.如權利要求18所述的冰複合體，其特徵在於豎井有足夠大的直徑以容納人和水底所需的設備。
20.如權利要求1到10中的任何一項所述的冰複合體，用於建造位於水中或水面的漂浮建築物，其特徵在於冰核完全包圍在所述護面層中。
21.如權利要求20所述的冰複合體，還包括用於將複合體固定到水底的部件。
22.如權利要求20或21所述的冰複合體，其特徵在於複合體具有正的淨浮力。
23.如權利要求20到22中的任何一項所述的冰複合體，其特徵在於護面層包括一個雙層殼。
24.如前面的任何一項權利要求所述的冰複合體，其特徵在於護面層中使用的材料選自於由金屬、石頭、混凝土、鋼筋混凝土、瀝青碎石、瓷磚和磚塊組成的群組。
25.如權利要求5或它的任何一項從屬權利要求所述的冰複合體，其特徵在於絕熱材料選自於由空氣、冰、密封水、石頭、泥土、混凝土、鋼筋混凝土、絕熱水泥、塑料泡沫、木材、木材屑、廢紙、沙子、處理過的城市廢棄物、紡織纖維和礦物纖維組成的群組。
26.如前面的任何一項權利要求所述的冰複合體，其特徵在於如果存在的話，致冷劑導管預先一體形成在護面層或絕熱層中。
27.如前面的任何一項權利要求所述的冰複合體，其特徵在於如果存在的話，致冷劑導管與護面層和絕熱層分開地形成。
28.如權利要求27所述的冰複合體，其特徵在於致冷劑導管用作複合體的內部加強部件。
29.如前面的任何一項權利要求所述的冰複合體，其特徵在於冰核由在冰凍前除去電解質和/或脫氣的水形成。
30.如前面的任何一項權利要求所述的冰複合體，其特徵在於冰核由在冰凍前或冰凍過程中加入添加劑的水形成，所述添加劑在冰形成時對改變冰的密度有效。
31.如前面的任何一項權利要求所述的冰複合體，其特徵在於冰核由在冰凍前或冰凍過程中加入添加劑的水形成，所述添加劑在冰形成時對增加冰的強度有效。
32.如權利要求30或31所述的冰複合體，其特徵在於，所述添加劑選自於由明膠、任何取代物主要是羥基的長鏈碳氫化合物以及有氫或氫氧結合基的長鏈聚合電解質組成的群組。
33.如權利要求30或31所述的冰複合體，其特徵在於，所述添加劑選自於由金屬纖維、陶瓷纖維、玻璃纖維、礦物纖維、塑料或聚合物纖維、碳纖維、泥煤纖維、木材纖維、混凝土、沙子、礫石、石頭、塑料泡沫顆粒、木屑和鋸末組成的群組。
34.如權利要求30到33的任何一項所述的冰複合體，其特徵在於添加劑在水冰凍前或冰凍過程中加入水中。
35.如前面的任何一項權利要求所述的冰複合體，其特徵在於護面層是由按照標準尺寸設計的部件形成的並且冰用作將所述部件固定在一起的結構材料。
36.一種用於建造如前面的任何一項權利要求所述的冰複合體的護面層部件的殼。
37.如權利要求36所述的殼，還包括一個在護面層的內部的絕熱層。
38.如權利要求36或37所述的殼，還包括一個致冷劑導管。
39.一種建造如權利要求1到35中的任何一項所述的冰複合體的方法，包括使用滑模或連續替代模板的技術建造一個護面保護層的殼的步驟。
40.一種建造如權利要求1到35中的任何一項所述的冰複合體的方法，包括以下步驟建造一個包括護面保護層、致冷劑導管和可選擇的絕熱層的殼；向處於倒置狀態的殼充填水；冷凍所述的水；以及在複合體將要固定的地點將所形成的複合體倒置過來。
41.一種建造如權利要求1到35中的任何一項所述的用於平均環境溫度高於水的冰點的環境中的冰複合體的方法，包括在平均環境溫度低於水的冰點的地方冷凍所述冰核，以及隨後將冰複合體運到它將要使用的環境中的步驟。
42.一種建造如權利要求1到35中的任何一項所述的冰複合體的方法，包括以下步驟將水除去電解質和/或脫氣；冷卻所述的水以便使它結冰；以及在結冰前加入如權利要求30到34的任何一項所述的添加劑。
43.一種將冰複合體固定到水底的方法，包括以下步驟使複合體下降與水底接觸，複合體有一個冰暴露出來的底部表面；以及使冰足夠冷卻從而導致底部表面與水底結合起來。
44.如權利要求43所述的方法，其特徵在於複合體下降到一個多孔的水底，並且致冷作用導致位於複合體正下方的水底包含的水結冰從而與底部表面結合在一起。
45.一種位於水中或在水面的固定或漂浮建築物，包括如權利要求1到35的任何一項所述的冰複合體。
46.如權利要求45所述的建築物，可以橋梁、防波堤、長堤、浮橋、人工島、水壩、擋潮壩、波浪動力壩、港灣壁、風動農場或人工跑道的形式存在。
47.如權利要求45所述的建築物，其特徵在於護面保護層的頂部表面有一個路面或鐵軌。
48.一種參照附圖1-13大體如上所描述和圖示的冰複合體。
49.一種大體如上所述的建造冰複合體的方法。
50.一種大體如上所述的將冰複合體固定到水底的方法。
51.一種參照附圖1-13大體如上所描述和圖示的位於水中或水面的固定或漂浮建築物。
全文摘要
一種冰複合體(10)包括被起保護作用的外部護面層(12)所覆蓋的內部冰核(11),護面層帶有用於在它們之間使冰核(11)熱絕緣的裝置。包括供致冷劑使用的導管系統(14)的致冷裝置位於複合體(10)內部,所述絕熱裝置和致冷裝置相對於周圍水(16)的環境溫度相互適應以保持冰核(11)處於冷凍狀態。複合體的底部(15)可與水底(17)直接接觸以便冰核(11)被冷凍從而與水底的擴展冰面(18)結合。複合體可用於溫暖或冷的水中的漂浮或固定場合,諸如橋梁、防波堤、長堤、浮橋、人工島、水壩、擋潮壩、波浪動力壩、港灣壁、風動農場或人工跑道。冰複合體提供了與運用現有材料的同樣的建築物相比具有相同或更大強度的建築物,並且具有相當低的成本。
文檔編號E02B17/02GK1207150SQ97191625
公開日1999年2月3日 申請日期1997年1月10日 優先權日1996年1月10日
發明者帕德裡格·麥克阿利斯特 申請人:帕德裡格·麥克阿利斯特